第1章．量子世界的遊戲規則
1.1 我們看不見的尺度上正在發生什麼？
我們生活的世界，到底是由什麼構成的？
早在2400多年前，我們祖先中的好奇寶寶——春秋末期戰國初期墨家學派的創始人墨子，就在油燈下思考起這個宇宙的終極問題：天地萬物的本質，到底是什麼玩意兒？
念念不忘，必有迴響。有一天，墨子先生，他悟了！
【Tips】
墨子的科學成就：
做了世界上最早的針孔成像實驗；
系統地研究了凸面鏡、凹面鏡，闡述光線傳播原理；
總結了點、線、面、體等幾何學概念，論述了十進位制算法；
闡述了聲音的傳播、力的作用等物理學原理；
……
墨子發現了組成萬事萬物的基本物質，取名為「端」。
【Tips】
墨子認為，物質不斷分割，直到無法再分，這個無法再分的最小單位叫作「端」。
《墨子．經下》：非半弗斫，則不動，說在端。
墨子：看見沒？這個再也劈不開的東西，就是組成萬事萬物的基本物質！
無獨有偶，大約同一時期的古希臘有個叫德謨克利特（Dēmókritos）的哲學家，也提出了類似的理論——原子是組成物質的基本微粒。
墨子和德謨克利特的理論是2400多年前人類世界裡最樸素的原子論。
但是，這玩意兒它不能當飯吃啊！
直到近代科學發展起來，人們不僅發現原子論是對的，還發展出了一門全新的物理學分支：量子力學。這徹底改變了人類世界！
一個看不見摸不著的東西為什麼就改變世界了呢？讓我們先從原子的結構說起。
原子並不是一個實心的小球，它的內部有帶正電荷的質子和不帶電荷的中子組成的原子核，原子核外有帶負電荷的電子。正負電荷中和，整個原子不帶電荷。
在這個微觀世界裡，每個「人」都在一刻不停地運動著：電子在原子核外的能階軌道上奔跑，原子核裡的質子和中子也不閒著。
所有「人」一起「動次打次」，簡直是個大型舞會現場。
用一句話來總結：這裡不養閒「人」！
量子力學就是研究這些微觀粒子運動規律的科學。人類豐富多彩的現代生活，基本上構建在量子力學的研究成果之上。
量子力學到底揭露出微觀世界的哪些神奇之處？
它和我們的生活有什麼關係，又將把人類帶向什麼樣的未來呢？
1.2 薛丁格的貓到底是活的還是死的？
由於微觀世界的遊戲規則和我們熟悉的宏觀世界完全不同，量子力學跟解決宏觀世界物理問題的古典力學差別也非常大。
【Tips】
古典力學的基礎是牛頓三大運動定律：
牛頓第一運動定律：一切物體總保持勻速直線運動或靜止狀態，除非有外力迫使它改變這種狀態。
牛頓第二運動定律：物體加速度的大小跟它受到的作用力成正比，跟它的質量成反比，加速度的方向跟作用力的方向相同。
牛頓第三運動定律：相互作用的兩個物體之間的作用力與反作用力總是大小相等，方向相反，作用在同一條直線上。
古典力學在很長一段時間裡被認為可以解釋世界上的一切物理現象，以至於在量子力學誕生前後的幾十年裡，科學界展開了激烈的討（吵）論（架）。
薛丁格的貓就這麼誕生了。這是一個思想實驗，是量子力學奠基者之一薛丁格先生的「吵架專用款」。
實驗是這樣的：
把一隻貓放在密閉的盒子裡，盒子裡還有少量放射性物質、一個探測器和一瓶有毒氣體。
放射性物質可能衰變也可能不衰變，一旦探測器檢測到它衰變了，就會發出一個信號打碎毒氣瓶，貓就會被毒死。
那麼在打開盒子之前，貓是活的還是死的呢？
在量子力學的世界裡，這隻貓既是活的也是死的，是活貓和死貓兩種狀態的疊加。
這是什麼意思呢？
核心就在「少量放射性物質」上面。
構成物質的原子有很多種。為了區分它們，人類根據原子核內質子的數量一共找到了118種原子，具有相同質子數（核電荷數）的同一種原子統稱為元素。
【Tips】
在元素週期表中，每種元素左上角都有一個數字，這就是它的原子序數，也就是原子核內質子的數量。
因為質子帶正電荷，一旦質子的數量多了，同種電荷就會互相排斥，需要中子進來形成強相互作用力，原子核才不會瓦解。
但事實證明，「人」多了確實容易出事啊！原子核內粒子數量多的元素大多不怎麼穩定，原子核會有一定的機率分裂。
這個過程叫作衰變，是不穩定原子核的「自救」，也是放射性元素的來源。
到這裡，事情就變得有意思了！
一大塊放射性物質擺在那裡，由於大量原子核在衰變，我們能透過穩定的射線強度來判斷它身上發生了什麼。
但具體到某一個原子核，我們就沒辦法知道它什麼時候衰變了，可能是下一秒，也可能是10億年以後。
這就是微觀世界的隨機性！
人類無法預測這個原子核什麼時候衰變。在每個時間點，它都有一定的衰變機率。量子力學把原子核的這種狀態定義為衰變和未衰變的疊加態（superposition state）。
所以，在這個實驗裡，真正處於疊加態的不是那隻想像出來的貓，而是少量放射性物質的原子核。
你可能會說，這玩意兒有什麼意義，文字遊戲誰不會玩啊？我現在就能給你一個定義——薛丁格式學習。
文字遊戲很好玩，但疊加態確實是量子力學裡最重要的基本概念。
以人類目前對微觀世界的瞭解，隨機正是它最基本的遊戲規則，想怎麼樣就怎麼樣，完全不以人類的意志為轉移。
但人類依然可以透過無數次的測量來確定粒子每一種行為出現的機率，透過運算讓完全不可控的事情變得在一定範圍內可控。量子力學做的正是這件事情。
疊加態是打開微觀世界隨機性的鑰匙，一旦接受了它，很多問題都會迎刃而解。
【Tips】
薛丁格在1926年提出了描述微觀粒子狀態隨時間變化規律的薛丁格方程式（Schrödinger equation），這是量子力學裡最基本、最重要的方程式。然而薛丁格本人卻堅定地反對量子力學的隨機性。同樣不相信「上帝擲骰子」的還有愛因斯坦，科學界對此展開了大討（吵）論（架）。結果他們都錯了！薛丁格提出這個思想實驗正是為了證明「疊加態」的荒謬，卻不小心成了疊加態最好的注解。
1.3 既是又是，波粒二象性的大型雙標現場
1801年，一個叫湯瑪士．楊（Thomas Young）的科學家做了一個讓科學界爭論了幾百年的著名實驗：雙狹縫干涉實驗。
【Tips】
湯瑪士．楊是一個「全能」的人：
幾乎能演奏當時所有的樂器；
會十幾種語言，曾破譯了數千年來無人能解讀的古埃及象形文字；
為《大英百科全書》（Encyclopedia Britannica）撰寫過40多位科學家的傳記及眾多的科學名詞條目，包羅萬象；
擔任過保險公司的精算師、《航海天文曆》的負責人；
……
他讓一束光通過兩條離得很近的窄縫，按照光沿直線傳播的原理，後面的牆壁上應該出現兩條亮線才對。
然而，牆壁上出現的卻是一組明暗相間的條紋。
這組條紋跟兩列水波相遇產生的圖案很類似。這個現象叫波的干涉。
實驗相當成功，這說明光是一種波。
但是光很多時候也呈現出粒子性啊！
1905年，科學家中的「戰鬥機」愛因斯坦就用光電效應證明了光是一粒一粒的，具有質量和動能。他還給光的粒子起了個名字：光量子（Light Quantum），後來簡稱為光子。
然後認為光是波的那群人和認為光是粒子的那群人就吵了起來。 吵到後來，科學家們終於都說服了自己。
這就是量子力學裡大名鼎鼎的波粒二象性，它是一代又一代科學家對真理孜孜以求並不斷討論得到的結果。
這個過程激發了更多人的靈感，科學界掀起一場「腦洞狂潮」——既然雙狹縫干涉實驗這麼有趣，那我們拿別的東西也來試試，於是，電子、質子、中子等紛紛被拿來做實驗，實驗結果證明微觀粒子都同時具有波動的屬性。這是量子力學裡的重要發現。
【Tips】
法國理論物理學家德布羅意（Louis de Broglie）在1924年提出物質波（Matter waves）假說，指出波粒二象性不是只有光子具有，而是電子、質子、中子等一切微觀粒子都具有的屬性。在之後的實驗中，這一假說被證實。
我們在網路上經常會看到很多人對量子力學的評價：「這一切真詭異，量子力學就是玄學！」
別當真！真正詭異的是那些總是把波和粒子對立起來的固有思維。在微觀世界裡，沒有非此即彼，一切就是這麼和諧。
量子力學就是這樣，具有「既是又是」的神奇雙標屬性。
自從科學家們放下非此即彼的思維包袱，「腦洞」就再也煞不住車了……。
1.1 我們看不見的尺度上正在發生什麼？
我們生活的世界，到底是由什麼構成的？
早在2400多年前，我們祖先中的好奇寶寶——春秋末期戰國初期墨家學派的創始人墨子，就在油燈下思考起這個宇宙的終極問題：天地萬物的本質，到底是什麼玩意兒？
念念不忘，必有迴響。有一天，墨子先生，他悟了！
【Tips】
墨子的科學成就：
做了世界上最早的針孔成像實驗；
系統地研究了凸面鏡、凹面鏡，闡述光線傳播原理；
總結了點、線、面、體等幾何學概念，論述了十進位制算法；
闡述了聲音的傳播、力的作用等物理學原理；
……
墨子發現了組成萬事萬物的基本物質，取名為「端」。
【Tips】
墨子認為，物質不斷分割，直到無法再分，這個無法再分的最小單位叫作「端」。
《墨子．經下》：非半弗斫，則不動，說在端。
墨子：看見沒？這個再也劈不開的東西，就是組成萬事萬物的基本物質！
無獨有偶，大約同一時期的古希臘有個叫德謨克利特（Dēmókritos）的哲學家，也提出了類似的理論——原子是組成物質的基本微粒。
墨子和德謨克利特的理論是2400多年前人類世界裡最樸素的原子論。
但是，這玩意兒它不能當飯吃啊！
直到近代科學發展起來，人們不僅發現原子論是對的，還發展出了一門全新的物理學分支：量子力學。這徹底改變了人類世界！
一個看不見摸不著的東西為什麼就改變世界了呢？讓我們先從原子的結構說起。
原子並不是一個實心的小球，它的內部有帶正電荷的質子和不帶電荷的中子組成的原子核，原子核外有帶負電荷的電子。正負電荷中和，整個原子不帶電荷。
在這個微觀世界裡，每個「人」都在一刻不停地運動著：電子在原子核外的能階軌道上奔跑，原子核裡的質子和中子也不閒著。
所有「人」一起「動次打次」，簡直是個大型舞會現場。
用一句話來總結：這裡不養閒「人」！
量子力學就是研究這些微觀粒子運動規律的科學。人類豐富多彩的現代生活，基本上構建在量子力學的研究成果之上。
量子力學到底揭露出微觀世界的哪些神奇之處？
它和我們的生活有什麼關係，又將把人類帶向什麼樣的未來呢？
1.2 薛丁格的貓到底是活的還是死的？
由於微觀世界的遊戲規則和我們熟悉的宏觀世界完全不同，量子力學跟解決宏觀世界物理問題的古典力學差別也非常大。
【Tips】
古典力學的基礎是牛頓三大運動定律：
牛頓第一運動定律：一切物體總保持勻速直線運動或靜止狀態，除非有外力迫使它改變這種狀態。
牛頓第二運動定律：物體加速度的大小跟它受到的作用力成正比，跟它的質量成反比，加速度的方向跟作用力的方向相同。
牛頓第三運動定律：相互作用的兩個物體之間的作用力與反作用力總是大小相等，方向相反，作用在同一條直線上。
古典力學在很長一段時間裡被認為可以解釋世界上的一切物理現象，以至於在量子力學誕生前後的幾十年裡，科學界展開了激烈的討（吵）論（架）。
薛丁格的貓就這麼誕生了。這是一個思想實驗，是量子力學奠基者之一薛丁格先生的「吵架專用款」。
實驗是這樣的：
把一隻貓放在密閉的盒子裡，盒子裡還有少量放射性物質、一個探測器和一瓶有毒氣體。
放射性物質可能衰變也可能不衰變，一旦探測器檢測到它衰變了，就會發出一個信號打碎毒氣瓶，貓就會被毒死。
那麼在打開盒子之前，貓是活的還是死的呢？
在量子力學的世界裡，這隻貓既是活的也是死的，是活貓和死貓兩種狀態的疊加。
這是什麼意思呢？
核心就在「少量放射性物質」上面。
構成物質的原子有很多種。為了區分它們，人類根據原子核內質子的數量一共找到了118種原子，具有相同質子數（核電荷數）的同一種原子統稱為元素。
【Tips】
在元素週期表中，每種元素左上角都有一個數字，這就是它的原子序數，也就是原子核內質子的數量。
因為質子帶正電荷，一旦質子的數量多了，同種電荷就會互相排斥，需要中子進來形成強相互作用力，原子核才不會瓦解。
但事實證明，「人」多了確實容易出事啊！原子核內粒子數量多的元素大多不怎麼穩定，原子核會有一定的機率分裂。
這個過程叫作衰變，是不穩定原子核的「自救」，也是放射性元素的來源。
到這裡，事情就變得有意思了！
一大塊放射性物質擺在那裡，由於大量原子核在衰變，我們能透過穩定的射線強度來判斷它身上發生了什麼。
但具體到某一個原子核，我們就沒辦法知道它什麼時候衰變了，可能是下一秒，也可能是10億年以後。
這就是微觀世界的隨機性！
人類無法預測這個原子核什麼時候衰變。在每個時間點，它都有一定的衰變機率。量子力學把原子核的這種狀態定義為衰變和未衰變的疊加態（superposition state）。
所以，在這個實驗裡，真正處於疊加態的不是那隻想像出來的貓，而是少量放射性物質的原子核。
你可能會說，這玩意兒有什麼意義，文字遊戲誰不會玩啊？我現在就能給你一個定義——薛丁格式學習。
文字遊戲很好玩，但疊加態確實是量子力學裡最重要的基本概念。
以人類目前對微觀世界的瞭解，隨機正是它最基本的遊戲規則，想怎麼樣就怎麼樣，完全不以人類的意志為轉移。
但人類依然可以透過無數次的測量來確定粒子每一種行為出現的機率，透過運算讓完全不可控的事情變得在一定範圍內可控。量子力學做的正是這件事情。
疊加態是打開微觀世界隨機性的鑰匙，一旦接受了它，很多問題都會迎刃而解。
【Tips】
薛丁格在1926年提出了描述微觀粒子狀態隨時間變化規律的薛丁格方程式（Schrödinger equation），這是量子力學裡最基本、最重要的方程式。然而薛丁格本人卻堅定地反對量子力學的隨機性。同樣不相信「上帝擲骰子」的還有愛因斯坦，科學界對此展開了大討（吵）論（架）。結果他們都錯了！薛丁格提出這個思想實驗正是為了證明「疊加態」的荒謬，卻不小心成了疊加態最好的注解。
1.3 既是又是，波粒二象性的大型雙標現場
1801年，一個叫湯瑪士．楊（Thomas Young）的科學家做了一個讓科學界爭論了幾百年的著名實驗：雙狹縫干涉實驗。
【Tips】
湯瑪士．楊是一個「全能」的人：
幾乎能演奏當時所有的樂器；
會十幾種語言，曾破譯了數千年來無人能解讀的古埃及象形文字；
為《大英百科全書》（Encyclopedia Britannica）撰寫過40多位科學家的傳記及眾多的科學名詞條目，包羅萬象；
擔任過保險公司的精算師、《航海天文曆》的負責人；
……
他讓一束光通過兩條離得很近的窄縫，按照光沿直線傳播的原理，後面的牆壁上應該出現兩條亮線才對。
然而，牆壁上出現的卻是一組明暗相間的條紋。
這組條紋跟兩列水波相遇產生的圖案很類似。這個現象叫波的干涉。
實驗相當成功，這說明光是一種波。
但是光很多時候也呈現出粒子性啊！
1905年，科學家中的「戰鬥機」愛因斯坦就用光電效應證明了光是一粒一粒的，具有質量和動能。他還給光的粒子起了個名字：光量子（Light Quantum），後來簡稱為光子。
然後認為光是波的那群人和認為光是粒子的那群人就吵了起來。 吵到後來，科學家們終於都說服了自己。
這就是量子力學裡大名鼎鼎的波粒二象性，它是一代又一代科學家對真理孜孜以求並不斷討論得到的結果。
這個過程激發了更多人的靈感，科學界掀起一場「腦洞狂潮」——既然雙狹縫干涉實驗這麼有趣，那我們拿別的東西也來試試，於是，電子、質子、中子等紛紛被拿來做實驗，實驗結果證明微觀粒子都同時具有波動的屬性。這是量子力學裡的重要發現。
【Tips】
法國理論物理學家德布羅意（Louis de Broglie）在1924年提出物質波（Matter waves）假說，指出波粒二象性不是只有光子具有，而是電子、質子、中子等一切微觀粒子都具有的屬性。在之後的實驗中，這一假說被證實。
我們在網路上經常會看到很多人對量子力學的評價：「這一切真詭異，量子力學就是玄學！」
別當真！真正詭異的是那些總是把波和粒子對立起來的固有思維。在微觀世界裡，沒有非此即彼，一切就是這麼和諧。
量子力學就是這樣，具有「既是又是」的神奇雙標屬性。
自從科學家們放下非此即彼的思維包袱，「腦洞」就再也煞不住車了……。
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